第八章 地理信息系统基础.docx

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第八章地理信息系统基础

第八章地理信息系统基础

第一节地理信息系统概述

一、GIS的概念

地理信息系统（GIS，GeographicalInformationSystem）的定义是由两个部分组成。

一方面，地理信息系统是一门学科，是描述、存储、分析和输出空间信息的理论和方法的一门新兴的交叉学科；另一方面，地理信息系统是一个技术系统，是以地理空间数据库（GeospatialDatabase）为基础，采用地理模型分析方法，适时提供多种空间的和动态的地理信息，为地理研究和地理决策服务的计算机技术系统。

地理信息系统的外观，表现为计算机软硬件系统，其内涵却是由计算机程序和地理数据组织而成的地理空间信息模型。

地理信息系统具有以下三个方面的特征：

第一，具有采集、管理、分析和输出多种地理信息的能力，具有空间性和动态性；

第二，由计算机系统支持进行空间地理数据管理，并由计算机程序模拟常规的或专门的地理分析方法，作用于空间数据，产生有用信息，完成人类难以完成的任务；

第三，计算机系统的支持是地理信息系统的重要特征，因而使得地理信息系统能快速、准确、综合地对复杂的地理系统进行空间定位和过程动态分析。

二、地理信息系统的构成

与普通的信息系统类似，一个完整的GIS主要由四个部分构成，即计算机硬件系统、计算机软件系统、地理数据（或空间数据）和系统管理操作人员。

其核心部分是计算机软硬件系统，空间数据反映GIS的地理内容，而管理人员和用户则决定系统的工作方式和信息表示方式。

（扫图：

9页图1－4）

三、GIS的主要功能

（一）数据采集与编辑

主要用于获取数据，保证地理信息系统数据库中的数据在内容和时间上的完整性、数值逻辑一致性与正确性等。

（二）数据处理

初步的数据处理主要包括数据格式化、转换、概括。

（三）数据存储与组织

这是建立地理信息系统数据库的关键步骤，涉及到空间数据和属性数据的组织。

（四）空间查询与分析

空间查询是地理信息系统以及许多其他自动化地理数据处理系统应具备的最基本的分析功能，空间分析是地理信息系统的核心功能，也是地理信息系统与其他计算机系统的根本区别。

模型分析是在地理信息系统支持下，分析和解决现实世界中与空间相关的问题，它是地理信息系统应用深化的重要标志。

（五）图形与交互显示

地理信息系统为用户提供了许多用于地理数据表现的工具，其形式既可以是计算机屏幕显示，也可以是诸如报告、表格、地图等硬拷贝图件，尤其要强调的是地理信息系统的地图输出功能。

一个好的地理信息系统应能提供一种良好的、交互式的制图环境，以供地理信息系统的使用者能够设计和制作出高质量的地图。

（六）二次开发与编程

四、GIS的发展历程

地理信息系统脱胎于地图，他们都是地理信息的载体，具有获得、存储、编辑、处理、分析与显示地理数据的功能。

它的发展经历了四个阶段：

上世纪60年代的开拓发展阶段、70年代的巩固阶段、80年代的突破阶段、90年代的社会化阶段。

（详见22页）

第二节地理信息系统空间数据采集与数据结构

一、GIS数据种类与形式

空间数据是GIS的核心，也是GIS的操作对象。

因此，设计和使用GIS的第一步就是根据系统的功能，获取所需要的空间数据，并创建空间数据库。

GIS中的数据来源和数据类型繁多，概括起来主要有以下几种类型：

1、地图数据

来源于各种类型的普通地图和专题地图，这些地图的内容丰富，图上实体间的空间关系直观，实体的类别或属性清晰，实测地形图还具有很到的精度。

2、影像数据

主要来源于卫星遥感和航空遥感。

3、地形数据

来源于地形等高线图的数字化，已建立的数字高程模型和其他实测的地形数据等。

4、属性数据

来源于各类调查报告、实测数据、文献资料、解译信息等。

5、元数据

来源于由各类纯数据通过调查、推理、分析和总结得到的有关数据的数据，例如数据来源、数据权属、数据产生的时间、数据精度、数据分辨率、源数据比例尺、数据转换方法等。

空间数据根据表示对象的不同，又具体分为其中类型（扫图：

《黄杏元》31页）。

二、GIS空间数据采集与编辑处理

数据处理涉及的内容很广泛，主要取决于原始数据的特点和用户的具体要求，一般包括数据变换、数据重构、数据提取等内容。

数据变换是数据从一种数学状态到另一种数学状态的变换，包括几何纠正、投影转换和辐射纠正等，以解决空间数据的几何配准和数据库之间的对应关系。

数据重构是指数据从一种格式到另一种格式的转换，包括结构转换（栅格与矢量的转换）、格式转换（遥感与GIS格式的融合）、类型替换等，以解决空间数据在结构、格式和类型上的统一，实现多源和异构数据的联结与融合。

数据提取是指对数据进行某种有条件的提取，包括类型提取、窗口提取、空间内插等，以解决不同用户对数据的特定需求。

三、GIS空间数据结构

空间数据结构一般分为基于矢量模型的数据结构和基于栅格模型的数据结构。

（一）矢量数据结构

矢量数据结构是利用几何学中的点、线、面及其组合体来表示地理实体空间分布的一种数据组织方式。

矢量数据是面向地物的结构，即对于每一个具体的目标都直接赋有位置和属性信息以及目标之间的拓扑关系说明。

但矢量数据仅有一些离散点的坐标，在空间表达方面没有直接建立位置与地物之间的关系，如多边形的中间区域的“洞”或“岛”，其间的任何点并没有与某个地物发生联系。

（二）栅格数据结构

栅格数据结构是将空间分割成有规则的网络，在各个网络上给出相应的属性值来表示地理实体的一种数据组织形式。

在栅格数据中，点由一个单元网格表示，其数值与近邻网格值明显不同；线段由一串有序的相互连接的单元网格表示，各个网格的值比较一致，但与领域的值差异较大；多边形则由聚集在一起的相互连接的单元网格组成，区域内部的网格值相同或差异较小，但与领域网格的值差异较大。

栅格数据结构表示的是二维表面上地理要素的离散化数值，每个网格对应一种属性，其空间位置用行和列标识。

栅格数据是面向位置的结构，平面空间上的任何一点都直接联系到某一个或某一类地物。

但对于一个具体的目标又没有直接聚集所有的信息，只能通过遍历栅格矩阵逐一寻找，它也不能完整地建立地物之间的拓扑关系。

两种数据结构的优缺点

优点

缺点

矢量数据结构

1、便于面向现象（土壤类、土地利用单元等）的数据表示

2、数据结构紧凑、冗余度低

3、有利于网络分析

4、图形显示质量好、精度高

1、数据结构复杂

2、软件和硬件的技术要求较高

3、多边形叠合分析比较困难

4显示与绘图成本较高

栅格数据结构

1、数据结构简单

2、空间分析和地理现象的模型均比较容易

3、有利于与遥感数据的匹配应用和分析

4、输出方法快速、成本比较低廉

1、图形数据量大

2、投影转换比较困难

3、栅格地图的图形质量比较低

4、现象识别的效果不如矢量结构

四、GIS设计与评价

（一）GIS设计

地理信息系统按其功能和内容，分为工具型地理信息系统和应用型地理信息系统。

这里的系统设计是指应用型地理信息系统的设计。

所谓应用型地理信息系统，是指在工具型或基础型地理信息系统的基础上，经过二次开发，建成满足专门用户解决一类或多类实际问题的地理信息系统。

因此，应用型地理信息系统的主要特点是：

它具有特定的用户和应用目的，具有为满足用户专门需求而开发的地理空间实体数据库和应用模型，它继承工具型地理信息系统开发平台提供的大部分功能和软件，以及具有专门开发的用户应用界面等。

应用型地理信息系统的设计，大致可以分为四个主要阶段，即系统分析、系统设计、系统实施、系统运行与维护。

（扫图：

《黄杏元》230页）

1、系统分析

系统分析的任务是对系统用户进行需求调查和可行性分析，最后提出新系统的目标和结构方案。

用户需求调查即调查系统用户对开发的GIS系统的功能要求和信息需求情况。

具有调查内容有：

Who——谁使用该系统，该系统的用户结构如何，哪些是直接用户，哪些是间接用户，哪些是最终用户，哪些是潜在用户。

What——新系统是做什么用的，它需要具备哪些功能，它应能解决和处理哪些类型的问题。

Why——为什么需要具有这些功能和条件，具有这些功能以后与常规的业务流程有哪些不同和优越性，对现行系统和建立的新系统从功能、效率、效益等方面做详细调查及对比研究等。

Where——建立新系统所需要的资源从哪里获取，特别是数据资源能否得到保证，以及解决系统硬件和软件的途径等。

Quality——指具体的技术指标、性能要求和可靠性要求，例如数据精度、运行速度、系统安全保障机制等。

进一步地，要对这些需求进行可行性分析，着重从社会、技术和经济三打要素分析开发新系统的可行性，确定哪些需求可以实现，哪些需求需要调整和简化，哪些需求作为近期目标或远期目标等。

2、系统设计

A总体设计，其主要内容包括用户需求、系统目标、总体结构、系统配置、数据库设计、系统功能、经费和管理等。

（扫图：

《黄杏元》233页上面的图）

B详细设计，其主要内容包括子系统设计、数据库设计、功能模块设计、用户界面设计等。

3、系统实施

是在系统设计的原则指导下，按照详细设计方案确定的目标、内容和方法，分阶段、分步骤完成系统开发的过程。

其主要内容包括系统硬件和软件的引进及调试、系统数据库建立、应用管理系统开发、系统测试和联调、系统验收和鉴定。

4、系统运行与维护

（二）GIS的评价

所谓系统评价就是从技术和经济两个大的方面对所设计的地理信息系统进行评定。

基本做法是将运行着的系统与预期目标进行比较，考察是否达到了系统设计时所预定的效果。

然后对以下各项进行逐一审议和考核：

1、系统效率

地理信息系统的各种职能指标、技术指标和经济指标均是系统效率的反映。

例如系统能否及时地向用户提供有用信息？

所提供信息的精度如何？

系统操作是否方便？

等等。

2、系统可靠性

是指系统在运行时的稳定性，一般很少发生事故，即便发生也能很快修复。

可靠性还包括系统有关的数据文件和程序是否妥善保存，系统是否具有后备体系等。

3、可扩展性

一个系统建成后，要使在现行系统上不做大改动或不影响整个系统结构，就可在现行系统上增加功能模块，这就必须在系统设计时留有接口，否则，当数据量增加或功能增加，系统就要推倒重建，这就是一个没有生命力的系统。

4、可移植性

一个有价值的地理信息系统的软件和数据库，不仅在于它自身结构的合理，而且在于它对环境的适应能力，即它们不仅能在一台机器上使用，而且能在其他型号设备上使用。

要做到这一点，系统必须按照国家规范标准设计。

5、系统的效益

系统的效益包括经济效益和社会效益。

目前，地理信息系统还处于发展阶段，由它产生的经济效益并不显著，可着重从社会效益上进行评价，比如信息共享的效果、数据采集和处理的自动化水平、系统智能化技术的发展、系统决策的定量化和科学化、系统解决新课题的能力等等。

五、GIS的应用

（一）资源管理

资源的清查、管理和分析是GIS应用最为广泛的领域，也是目前趋于成熟的主要应用领域，包括森林和矿产资源的管理、动物的保护、土地资源潜力的评价和土地利用规划等。

系统的主要任务是将各种来源的数据和信息有机地汇集在一起，GIS可以管理大型的地理数据库，最终用户通过GIS的客户端软件，可直接对数据库进行查询、显示、统计、制图，以及提供区域多种组合条件的资源分析，为资源的合理开发利用和规划决策提供依据。

（二）区域规划

城市与区域规划具有高度的综合性，涉及资源、人口、环境、交通、经济、教育、文化等因素，规划人员需要切实可行、实时性强的信息，而GIS能为规划人员提供功能强大的工具，例如规划人员利用GIS对交通流量、土地利用和人口数据进行分析，预测将来的道路等级；GIS软件帮助政府部门完成总体规划、分区，现有土地利用、分区一致性，空地、开发区和设施位置等分析工作，是实现区域规划科学和满足城市发展的重要保证。

（三）国土监测

GIS方法和遥感数据可以有效地用于森林火灾的预测预报、洪水灾情监测和淹没损失估算、土地利用动态变化分析和环境质量的评估研究等。

（四）辅助决策

GIS利用拥有的数据和互联网传输技术，已经实现了电子商贸的革命，满足企业决策的要求。

当前在全球协作的商业时代，90％以上的企业决策与地理数据有关，例如企业的分布、客货源、市场的地域规律、原料、运输等。

利用GIS迅速有效管理空间数据，进行空间可视化分析，确定商业中心位置和潜在市场的分布，寻找商业地域规律，研究商机时空变化的趋势，不断为企业创造新的商机，GIS和互联网已成为最佳的决策支持系统和威力强大的武器。

第九章地理信息系统在商业规划中的应用

第一节商业活动的空间分析

一、GIS应用于商业规划的可行性

（一）商业规划基础数据的空间属性

地理信息系统是关于空间数据的信息系统。

数据是否具有空间性是应用GIS的先决条件。

通常将“和地球上特定位置相关的数据”定义为空间数据，显然商业规划基础数据大部分豆薯空间数据。

有研究指出，估计近90％的零售商业数据属于空间数据，如店铺和顾客位置、人口统计和销售数据等。

（二）商业活动的空间特征

商业活动具有明显的空间特征，具体表现在地图绘制、商圈分析、选址分析等。

（三）商业规划科学性和准确性的要求

二、GIS在商业规划中的应用意义

1、保证信息数据的时效性

2、增加预测与规划的精确性

3、促进商业规划数据和模型的标准化

4、GIS的应用突破了传统的商业规划管理模式

在GIS技术出现之前，商业规划管理中所依赖的手段主要是地图记述的网点分布和网点的统计表格信息等，对网点发展的规划和决策缺乏广泛的数据支持和科学分析支持，许多零售商在商业网点的扩张、兼并等活动中还主要靠直觉进行决策。

随着网点数量的大幅度增加，商业类型、业态等的日益复杂，商业需求呈现多样化，仅靠地图分析、表格数据的统计、零售管理者的直觉知识判断难以作出科学合理的规划和决策。

20世纪80年代以来，GIS作为商业规划管理的平台越来越多地倍引入进来。

GIS的引入克服了传统管理模式的种种缺陷。

在基础空间数据、商业网点数据、人口数据等商业内部和外部数据的支持下，利用GIS可进行广泛的商业问题分析，回答各种有关商业规划和管理的问题。

三、GIS在商业规划中的主要应用领域

采用叠合分析的方法评价商业发展适宜性

利用GIS的多目标统计数据定量预测商业发展的趋势

利用空间分析的方法确定商业设施选址

利用最优分配模型等处理商业发展中的交通问题

四、GIS在商圈分析中的应用

商圈分析对于零售商业的规划布局、网点选址、市场潜力分析十分重要。

虽然地理学家很早就提出了商业规划布局的理论和方法,但是由于缺乏有效的技术工具的支持,或检验和应用这些理论和方法数据不易于获得,致使这些理论和方法多专著于理论探讨,在实践中则难以广泛应用。

GIS技术的出现和商业分析需要的空间数据、人口数据、客户分布数据等的丰富和易获得性使得复杂的地理分析理论和方法能够方便地应用于商圈分析。

商圈分析也是学术研究的重要领域。

准确合理的商圈划分对于城市或区域商业网点、商业体系的规划布局十分重要。

对于具体的商业企业和商业积聚区域而言,商圈分析有助于评价和确定服务的空间范围、市场潜力、目标客户分布等,有助于企业制定合理的商业发展计划。

商圈的划分方法丰富多样,但主要可概括为两大类:

一类是基于经验知识的商圈划分,另一类基于模型分析的商圈划分。

基于经验知识的商圈划分通常根据消费者距离商业网点或中心的出行距离或时间计算和确定商圈,但很难解决某网点与其它网点之间的关系问题和精确的量化及可视化问题;基于模型分析的商圈划分通常只考虑1－2个因素,并附带许多假设条件，在计算上也有许多困难。

而将GIS技术与以上两种方法想结合,可以解决以上两种方法的不足。

GIS中的缓冲区分析技术就能提供这类商圈的划分（图6）。

在GIS中,可进一步利用设定的商圈进行客户分布、市场潜力等的分析和评价。

基于模型的商圈划分是通过商业知识和相关的理论构建商圈分析的数学模型的方法和技术,构建商业分析模型依赖的主要理论有中心地理论、引力理论、空间相互作用理论等。

在这些理论的基础上提出了可运用于商圈划分的Relly引力模型、Huff概率分析模型、空间相互作用模型等。

模型方法比经验方法复杂,通常需要考虑网点的规模、综合吸引能力,网点之间的空间关系,消费者的消费行为、社会经济特征、出行方式,交通阻力等。

模型方法能够提供从简单到复杂的多因素综合作用的商圈分析,特别是多个网点的市场竞争分析,还能够提供规划布局合理性的评价,以引导市场的合理配置。

图7是仅考虑距离因素的服务设施（网点）之间的商圈及商圈内的服务人口总量的分布模式,计算得到的商圈呈Voronoi多边形的结构。

图8是根据Huff模型计算的服务设施（网点）的商圈及商圈中不同位置上的消费者访问服务设施的最大概率分布,商圈计算中考虑了服务设施的规模、空间距离、消费者的行为特征等,商圈结构是广义的Voronoi多边形的结构。

一般的GIS平台缺少基于模型的商圈分析技术,需要专门开发可集成的模块,运行模型需要的参数可通过GIS的网点空间数据库和市场调查获取。

五、GIS在商业网点管理中的应用

商业网点的空间特征十分明显,任何一个商业网点都可能需要用它所在的位置（地址）、几何形态、商业形态、面积等进行描述,其中位置（地址）、几何形态等就是网点的空间特征,而商业形态、面积等是网点的属性特征。

正是基于商业网点的空间分布特征商业信息系统忽略了网点的空间特征,GIS技术可以有效的对商业网点进行管理。

传统的信息技术手段虽然也能够按照行政区域进行网点特征的统计分析,但是这样的信息系统（一般是仅使用数据库技术建立的信息系统）不仅在实现技术上相对复杂,而且无法提供网点之间空间关系的描述和分析,例如两个商业中心的空间距离多大?

某个商业积聚区或单个购物中心的商圈有多大?

数个相邻的商业积聚区或购物中心之间的商圈是否重叠?

重叠的范围是多少?

重叠的边缘线是什么形状?

在一定的空间范围内,一个新的大型商业网点的设置将对原有的各种商业网点产生什么影响?

数个相邻的商业积聚区或购物中心互相吸引相邻商业积聚区或购物中心的能力有多大?

商圈内消费者的以什么特征分布等等。

另外传统的信息系统在商业网点管理上也无法提供任意空间范围内（或用户需要的空间范围内）网点的统计分析,更无法实现网点及其分析的地图可视化表示。

而这些恰恰是商业网点管理部门在日常业务或规划决策中关心的核心问题。

传统的数据库技术无法满足管理部门在这些方面的需求,原因在于数据库技术无法进行空间数据或空间关系的分析。

一般我们将商业网点管理的涉及的这类问题称为空间问题,GIS就是专门处理这种具有空间特征的数据的技术。

如果将GIS与已有的分析模型如莱利法则、胡佛模型、中心地理论、饱和度理论商业业态理论等管理理论相结合,并结合该城市的人口、交通、购买力状况、地理区位等社会经济和自然因素就有可能对商业网点实现定量化、科学化和可视化的管理。

GIS具有将各种数据综合集成的能力,无论是描述网点位置的空间数据,还是描述网点特征的属性数据,也不论这种数据是图片格式、表格格式、还是文本格式,都可集成在GIS技术体系下,实现各种各样的商业网点的查询、统计分析和制图表示等目标。

GIS技术应用于商业网点管理和决策的意义和作用是多方面的。

概括起来主要是3个方面的作用:

商业网点数据统计分析、商业网点规划决策、商业信息服务（图2）。

具体表现为:

（一）商业网点数据统计分析

GIS能够为商业网点的管理提供有效的技术支持。

一般包含如下4个方面的内容：

1、网点数据的管理

数据管理是信息系统稳定、可靠、正确运行的基础。

包括网点数据采集、提取、交换、动态更新等。

2、网点数据的查询

查询是职能部门业务管理中最为常用的功能。

GIS能够提供和实现的查询方式丰富多样,包括根据网点特征或属性的查询、根据空间位置和空间关系的查询、根据空间和属性的综合查询等各种方式。

丰富的数据查询手段保证系统能够回答各种和商业网点有关的问题。

此外在查询过程中还需要对查询得到的结果进行统计分析,GIS也可以提供相应的工具支持。

3、网点数据的统计分析、报表生成

商业网点管理中经常需要使用的另外的功能是对数据进行统计分析。

在GIS的支持下,统计分析不再局限于对商业网点的属性特征或者按照行政地域这样的空间划分进行,用户完全可以根据业务需求,自行定义统计的空间范围,例如商业类型区、商业街区、商业圈等,在满足业务需要的空间范围上对商业网点的各种属性进行统计分析。

统计分析还可以和查询、地图表示等紧密结合,统计分析得结果能够以报表、统计图、地图等多样化的形式表示。

4、网点数据的地图表示与可视化

就信息系统应用于商业网点管理而言,GIS与其它类型的信息系统的主要区别还在于它能够实现商业网点的地图制图、信息可视化表示,通过对地图的可视化操作,直观、方便地获取需要的信息等。

网点数据的地图表示与信息可视化对于理解网点分布的空间模式、相互之间的空间关系、商圈分析、网点规划布局等具有重要的意义。

在GIS中,可以用点、多边形（也称之为面）等地理实体表示不同规模的商业网点,也可以用不同的符号和形状区分不同的商业网点类型,对于同类的商业业态的网点可以设置符号体系和等级对网点的规模、状态等特征进行分级显示。

在GIS中还可以将查询、统计分析等和地图表示结合起来,不仅有利于增强信息表示的能力,而且使得复杂的空间关系直观化,易于理解。

例如根据查询得到的结果,进行网点的地图显示或分级、分类显示;或对查询结果进行统计汇总后进行制图显示;也可以根据行政区域、商业分区、商圈等空间划分对商业网点的特征进行统计分析后再用地图表示其结果。

例如分区域的网点数量、分类结构等的专题制图,为商业网点的布局规划和管理提供有效的信息支持。

（二）商业网点规划布局

GIS不仅为网点的管理业务提供了高效的工具,而且GIS本身具有很强的空间分析能力，可服务于商业网点的商圈分析、规划布局、选址评价等更为高级的任务。

例如在GIS中被称为缓冲区分析的技术直接可用于商圈的设定和分析。

此外GIS是开放的体系结构,可以遵循专业化的标准,按照构件化的开发方式将商业规划、评价等商业领域内的专业模型集成到商业网点管理信息系统中,如商圈分析模型、区位优化模型、空间相互作用模型等。

这些专业模型和GIS的集成将扩展系统的功能,使系统具有决策支持的能力。

（三）商业信息服务

城市的快速发展,带来了消费结构、服务形式的多样化,什么类型的网点在哪里?

在什么地方出现了什么样的具有特色的网点?

等等,这些都是公众关心的信息。

对公众提供优良的商业网点和消费需求信息对于促进城市商业的繁荣、引导消费、促进城市经济发展等具有重要的作用。

如何为公众提供优良的信息服务是服务型的政府需要解决的重要问题。

随着互联网的普及和计算机技术的发展,互联网正在成为政府和企业发布信息、服务公众的的主要环境,利用网络环境获取消费信息成为越来越多的公众所喜爱的方式。

通过互联网和GIS的结合建立有关商业信息的WebGIS可为公众提供广泛的信息服务。

从长远的发展考虑,在建立城市商业网点管理和规划决策信息平台的基础上,需要进一步依托互联网技术,建立基于WebGIS的商业信息发布平台。

在这一平台上提供城市的商业地图、消费指南等,对VIP用户等提供实时的信息广播等。

第二节商业信息化

商业信息化是以计算机为基础，利用Internet、数据库等现代技术手段实现现代商业的商务活动和管理。